2015年8月11日
研究人员阿贡国家实验室已经开发出一种铜四聚体催化剂，可以帮助捕获和转换二氧化碳，最终节省能源。
阿贡国家实验室的研究人员发明的一种铜四聚体催化剂可能有助于捕获和转化二氧化碳，最终节约能源。它由四个铜原子组成的小簇组成，每个簇由一层氧化铝薄膜支撑。这些催化剂的工作原理是与二氧化碳分子结合，以一种非常适合化学反应的方式对其进行定向。铜四聚体的结构是这样的，它的大部分结合位点是开放的，这意味着它能更强烈地附着在二氧化碳上，并能更好地加速转化。（图片由拉里·柯蒂斯提供）
这种创新的催化剂包括由四个铜原子组成的微小团簇，支撑在一层薄薄的氧化铝薄膜上。催化剂的作用是附着在二氧化碳分子上，并以适合化学反应的方式引导它们。
铜四聚体结构被设计成这样一种方式，它的大多数结合位点保持开放，使结构与二氧化碳结合更强，加快转化过程。
二氧化碳排放是一个持续的环境问题。二氧化碳减排基于捕获和转化的原则——一个过程，在温室气体从发电厂和烟囱排放到大气中并最终转化为实用的最终产品之前，阻止温室气体排放。
甲醇是一种潜在的终端产品，是一种液体燃料，一直是美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，U.S.Department of Energy，DOE）研究的重点。
将二氧化碳转化为甲醇的化学反应主要依靠催化剂来加速转化过程。阿贡国家实验室的研究人员发现了一种新材料，可以证明这种材料适合这一过程。这种催化剂具有特殊的结构，能够以节省能源的方式捕获和改变二氧化碳。这种催化剂被称为铜四聚体。
在现有的将二氧化碳转化为甲醇的工业过程中，使用了一种由氧化锌、铜和氧化铝制成的催化剂。简单地将化合物固定在一起，就占据了催化剂的几个结合位点，从而限制了能够捕获和维持二氧化碳的原子数量。
“有了我们的催化剂，里面就没有了”这篇论文的合著者、阿贡和分子工程研究所的高级化学家Stefan Vajda说。“所有四个铜原子都参与其中，因为原子团中只有少数铜原子，它们都暴露在外并能够结合。”
为了抵消结合位点较少的催化剂，目前的还原技术产生高压条件，以促进与二氧化碳分子形成更强的键。然而，在高压混合物中压缩气体需要大量能量。改进结合的一个主要优点是，新型催化剂需要更少的能量和更低的压力来生成相同数量的甲醇。
该研究的作者强调，应该找出处理垃圾和减少二氧化碳排放的最佳方法。
“我们有兴趣找到比现有催化剂更有效的新催化反应，特别是在节约能源方面，”拉里·柯蒂斯说，他是阿贡杰出的研究员，也是这篇论文的合著者。
铜四聚体可以大规模捕获和转化二氧化碳，减少全球环境问题，并产生有用的最终产品，如甲醇，可作为燃料燃烧。然而，将催化剂从实验室转化为工业需要时间。
柯蒂斯说，可能的障碍是不稳定，并找到了大量生产的方法。然而，铜四聚体可能在工业环境中分解，因此长期耐久性是未来研究的重要一步。尽管研究人员的研究只需要少量的材料，但出于工业目的，这一数量需要大幅增加。在此期间，该团队正在探索其他可能超过铜四聚体的催化剂。根据Vajda的说法，此类催化剂在组成、尺寸和载体材料方面可能有所不同，从而产生2000多种可能的组合。
这篇论文的合著者、阿贡的物理学家彼得·扎波尔说，研究人员不必进行不同类型的实验，相反，他们将利用复杂的计算来进行预测，并最终研究最有希望的催化剂。
“我们还没有找到比铜四聚体更好的催化剂，但我们希望能找到，”Vajda说。“随着全球变暖成为一个更大的负担，我们继续努力把二氧化碳排放变回有用的东西是紧迫的。”
在这项研究中，研究人员利用了纳米材料中心和先进光子源的光束12-ID-C，它们都是能源部科学用户设施办公室。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
柯蒂斯补充说，先进的光子源使研究小组能够观察到极低负载的小团簇，低至几纳克，这是这项研究的一个关键部分。
这项研究名为“二氧化碳在低压下转化为甲醇的体积超过选定的Cu4团簇，”发表在《美国化学学会杂志》上。
共同作者还包括来自耶鲁大学和弗莱堡大学的研究人员。美国能源部基础能源科学办公室资助了这项研究。欧洲杯线上买球